《浙江專版2019年高中物理第十九章原子核第2節(jié)放射性元素的衰變講義含解析新人教版選修3 .doc》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《浙江專版2019年高中物理第十九章原子核第2節(jié)放射性元素的衰變講義含解析新人教版選修3 .doc（9頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

放射性元素的衰變 原子核的衰變 [探新知基礎練] 1．衰變定義 原子核放出α粒子或β粒子，由于核電荷數(shù)變了，它在周期表中的位置就變了，變成另一種原子核。 2．衰變的類型 一種是α衰變，另一種是β衰變，而γ射線是伴隨α衰變或β衰變產(chǎn)生的。 3．衰變方程 α衰變：U→Th＋He； β衰變：Th→Pa＋e。 4．衰變規(guī)律 電荷數(shù)守恒，質量數(shù)守恒。 [辨是非](對的劃“√”，錯的劃“”) 1．原子核發(fā)生β衰變時放出一個電子，說明原子核內有電子。() 2．原子核發(fā)生α衰變時，新核的質量數(shù)減少4。(√) [釋疑難對點練] 1．α衰變和β衰變的實質及規(guī)律 (1)α衰變的實質：在放射性元素的原子核中，2個質子和2個中子結合得比較緊密，在一定條件下會作為一個整體從較大的原子核中拋射出來，這就是放射性元素發(fā)生的α衰變，其反應式為2H＋2n→He。 (2)β衰變的實質：原子核里雖然沒有電子，但是核內的中子可以轉化成質子和電子，產(chǎn)生的電子從核內發(fā)射出來，這就是β衰變，其反應式為 n→H＋e。 (3)γ射線是伴隨α衰變或β衰變產(chǎn)生的，γ射線不改變原子核的電荷數(shù)和質量數(shù)。其實質是放射性原子核在發(fā)生α衰變或β衰變時，產(chǎn)生的某些新核由于具有過多的能量(核處于激發(fā)態(tài))而輻射出γ光子。 (4)原子核衰變時質量數(shù)守恒，但并非質量守恒，核反應過程前、后質量發(fā)生變化(質量虧損)而釋放出核能，質量與能量相聯(lián)系。 (5)在發(fā)生β衰變時，釋放的電子具有很大的能量，一定來自于原子核，它是由中子和質子的轉化產(chǎn)生的，這表明質子(或中子)也是變化的。 2．衰變次數(shù)的計算方法 設放射性元素X經(jīng)過n次α衰變和m次β衰變后，變成穩(wěn)定的新元素Y，則衰變方程為： X→Y＋nHe＋me。 根據(jù)電荷數(shù)守恒和質量數(shù)守恒可列方程： A＝A′＋4n，Z＝Z′＋2n－m。 以上兩式聯(lián)立解得：n＝，m＝＋Z′－Z。 [試身手] 1．原子序數(shù)大于或等于83的所有元素，都能自發(fā)地放出射線。這些射線共有三種：α射線、β射線和γ射線。下列說法中正確的是(　　) A．原子核每放出一個α粒子，原子序數(shù)減少4 B．原子核每放出一個α粒子，原子序數(shù)增加4 C．原子核每放出一個β粒子，原子序數(shù)減少1 D．原子核每放出一個β粒子，原子序數(shù)增加1 解析：選D　發(fā)生一次α衰變，核電荷數(shù)減少2，質量數(shù)減少4，原子序數(shù)減少2；發(fā)生一次β衰變，核電荷數(shù)、原子序數(shù)增加1。故D正確。 半衰期 [探新知基礎練] 1．半衰期定義 大量放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時間。 2．決定因素 放射性元素衰變的快慢是由核內部自身的因素決定的，跟原子所處的化學狀態(tài)和外部條件沒有關系。不同的放射性元素，半衰期不同。 3．應用 利用半衰期非常穩(wěn)定這一特點，可以測量其衰變程度、推斷時間。 [辨是非](對的劃“√”，錯的劃“”) 1．溫度升高，放射性元素的半衰期會減小。() 2．氡的半衰期為3.8天，若取4 g氡原子核，經(jīng)7.6天后只剩下1 g氡原子核。(√) [釋疑難對點練] 1．對半衰期的理解 半衰期是表示放射性元素衰變快慢的物理量，同一放射性元素具有的衰變速率一定，不同元素半衰期不同，有的差別很大。 2．半衰期公式 N余＝N原()t/T，m余＝m0()t/T。式中N原、m0表示衰變前的原子數(shù)和質量，N余、m余表示衰變后的尚未發(fā)生衰變的原子數(shù)和質量，t表示衰變時間，T表示半衰期。 3．適用條件 半衰期是一個統(tǒng)計概念，是對大量的原子核衰變規(guī)律的總結，對于一個特定的原子核，無法確定何時發(fā)生衰變，但可以確定各個時刻發(fā)生衰變的概率，即某時衰變的可能性，因此，半衰期只適用于大量的原子核。 [試身手] 2．關于半衰期，下面各種說法中正確的是(　　) A．所有放射性元素都有一定的半衰期，半衰期的長短與元素的質量有關 B．半衰期是放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變需要的時間 C．一塊純凈的放射性元素的礦石，經(jīng)過一個半衰期以后，它的總質量僅剩下一半 D．放射性元素在高溫和高壓的情況下，半衰期要變短，但它與其他物質化合后，半衰期要變長 解析：選B　半衰期是放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時間，是表明放射性元素原子衰變快慢的物理量，與元素的質量、物理、化學狀態(tài)，均無關，因為衰變產(chǎn)物大部分仍留在礦石中，所以礦石總質量沒有太大的改變，故正確答案為B。 對α衰變和β衰變的實質的正確理解 [典例1]　U核經(jīng)一系列的衰變后變?yōu)镻b核，問： (1)一共經(jīng)過幾次α衰變或幾次β衰變？ (2)寫出這一衰變過程的方程。 [思路點撥]　由題可知開始原子核為U，最終的原子核為Pb，根據(jù)電荷數(shù)和質量數(shù)守恒可求得衰變次數(shù)從而寫出衰變方程。 [解析]　(1)設U衰變?yōu)镻b經(jīng)過x次α衰變和y次β衰變。由質量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒，可得 238＝206＋4x① 92＝82＋2x－y② 聯(lián)立①②解得x＝8，y＝6 即一共經(jīng)過8次α衰變和6次β衰變。 (2)核反應方程為：U→Pb＋8He＋6e。 [答案]　(1)8　6　(2)U→Pb＋8He＋6e (1)寫衰變方程的基本原則是質量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒，依據(jù)這兩個原則列方程就可確定α衰變和β衰變的次數(shù)。 (2)計算衰變前后核的質子數(shù)和中子數(shù)的差值，除了可根據(jù)衰變的實質分析外，也可根據(jù)質量數(shù)、質子數(shù)、中子數(shù)的關系進行計算。 [典例2]　“朝核危機”引起全球矚目，其焦點就是朝鮮核電站采用輕水堆還是重水堆。重水堆核電站在發(fā)電的同時，可以生產(chǎn)出可供研制核武器的钚239(Pu)，這種钚239可由鈾239(U)經(jīng)過n次β衰變而產(chǎn)生，則n為(　　) A．2　　　B．239　　　C．145　　　D．92 [解析]選A　β衰變的規(guī)律是質量數(shù)不變，質子數(shù)增加1。Pu比U質子數(shù)增加2，所以發(fā)生2次β衰變，A對。 對半衰期的理解和計算 [典例3]　碘131核不穩(wěn)定，會發(fā)生β衰變，其半衰期為8天。 (1)碘131核的衰變方程：I―→________(衰變后的元素用X表示)。 (2)經(jīng)過________天75%的碘131核發(fā)生了衰變。 [思路點撥]　 (1)寫衰變方程的依據(jù)是質量數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒。 (2)m＝m0，m指衰變后剩余的質量，而不是已衰變的質量。 [解析]　(1)I―→X＋e (2)75%的碘發(fā)生了衰變，即25%的未衰變。 即＝25%＝＝2，共經(jīng)歷了兩個半衰期即16天。 [答案]　(1)I―→X＋e　(2)16 [典例4]　14C是碳的一種半衰期為5 730年的放射性同位素，科學家已發(fā)現(xiàn)了曹操墓，若考古工作者探測到其棺木中14C的含量約為原來的，則該古木死亡的時間距今大約為(　　) A．22 900年　　　　　　　 B．11 400年 C．5 700年 D．1 900年 [解析]選D　假設古木死亡時14C的質量為m0，現(xiàn)在的質量為m，從古木死亡到現(xiàn)在所含14C經(jīng)過了n個半衰期，由題意可知：＝()n＝，所以n≈，即古木死亡的時間距今約為5 730年≈1 900年，D正確。 [課堂對點鞏固] 1．一個原子核發(fā)生衰變時，下列說法中錯誤的是(　　) A．總質量數(shù)保持不變　　　　 B．核子數(shù)保持不變 C．變化前后質子數(shù)保持不變 D．總能量保持不變 解析：選C　衰變過程中質量數(shù)守恒，又質量數(shù)等于核子數(shù)，故衰變過程中核子數(shù)不變，A、B正確；發(fā)生β衰變時，質子數(shù)增加，C錯誤；根據(jù)能量守恒定律知D正確。 2．某放射性元素經(jīng)過11.4天有的原子核發(fā)生了衰變，該元素的半衰期為(　　) A．11.4天 B．7.6天 C．5.7天 D．3.8天 解析：選D　半衰期是指有半數(shù)原子核發(fā)生衰變的時間，根據(jù)＝，＝3，因為t＝11.4天，所以T＝天＝3.8天。D正確。 3．(多選)三個原子核X、Y、Z，X核放出一個正電子后變?yōu)閅核，Y核與質子發(fā)生核反應后生成Z核并放出一個氦核(He)，則下面說法正確的是(　　) A．X核比Z核多一個質子 B．X核比Z核少一個中子 C．X核的質量數(shù)比Z核質量數(shù)多3個 D．X核與Z核的總電荷數(shù)是Y核電荷數(shù)的2倍 解析：選CD　設原子核X的質量數(shù)為x，電荷數(shù)為y，依題意寫出核反應方程X→Y＋e，Y＋H→Z＋He。根據(jù)質量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒，可得原子核Y的質量數(shù)為x，電荷數(shù)為y－1，原子核Z的質量數(shù)為x－3，電荷數(shù)為y－2。X核的質子數(shù)(y)比Z核的質子數(shù)(y－2)多2個，選項A錯；X核的中子數(shù)(x－y)比Z核的中子數(shù)(x－y－1)多1個，選項B錯；X核的質量數(shù)(x)比Z核的質量數(shù)(x－3)多3個，選項C對；X核與Z核的總電荷數(shù)(2y－2)是Y核的電荷數(shù)(y－1)的2倍，選項D對。 4．放射性元素氡(Rn)經(jīng)α衰變成為釙(Po)，半衰期約為3.8天；但勘測表明，經(jīng)過漫長的地質年代后，目前地殼中仍存在天然的含有放射性元素Rn的礦石，其原因是(　　) A．目前地殼中的Rn主要來自于其他放射性元素的衰變 B．在地球形成的初期，地殼中元素Rn的含量足夠高 C．當衰變產(chǎn)物Po積累到一定量以后，Po的增加會減慢Rn的衰變進程 D.Rn主要存在于地球深處的礦石中，溫度和壓力改變了它的半衰期 解析：選A　地殼中Rn主要來自其他放射性元素的衰變，才會在經(jīng)過漫長的地質年代后繼續(xù)存在，則A正確，B錯誤；放射性元素的半衰期與外界環(huán)境等因素無關，則C、D錯誤。 [課堂小結] [課時跟蹤檢測十四] 一、單項選擇題 1．β衰變中放出的電子來自(　　) A．組成原子核的電子 B．核內質子轉化為中子 C．核內中子轉化為質子 D．原子核外軌道中的電子 解析：選C　組成原子核的核子只有中子及質子，沒有電子，故A錯；B項違背了電荷數(shù)守恒，故B錯；β衰變是原子核的中子轉化為質子時釋放電子，而與核外電子無關，D錯，C對。 2．在存放放射性元素時，若把放射性元素①置于大量水中；②密封于鉛盒中；③與輕核元素結合成化合物。則(　　) A．措施①可減緩放射性元素衰變 B．措施②可減緩放射性元素衰變 C．措施③可減緩放射性元素衰變 D．上述措施均無法減緩放射性元素衰變 解析：選D　放射性元素的衰變快慢由其原子核內部結構決定，與外界因素無關，所以A、B、C錯誤，D正確。 3．原子核U經(jīng)放射性衰變①變?yōu)樵雍薚h，繼而經(jīng)放射性衰變②變?yōu)樵雍薖a，再經(jīng)放射性衰變③變?yōu)樵雍薝。放射性衰變①、②和③依次為(　　) A．α衰變、β衰變、β衰變 B．β衰變、α衰變、β衰變 C．β衰變、β衰變、α衰變 D．α衰變、β衰變、α衰變 解析：選A　UTh，質量數(shù)少4，電荷數(shù)少2，說明①為α衰變；ThPa，PaU，質子數(shù)分別加1，質量數(shù)不變，說明②③為β衰變。A正確。 4．科研人員正在研制一種新型鎳銅長效電池，它是采用半衰期長達100年的放射性同位素鎳63(Ni)和銅兩種金屬作為長壽命電池的材料，利用鎳63發(fā)生β衰變時釋放電子給銅片，把鎳63和銅片作電池兩極，外接負載為負載提供電能。下面有關該電池的說法正確的是(　　) A．鎳63的衰變方程是Ni→e＋Cu B．鎳63的衰變方程是Ni→e＋Cu C．外接負載時鎳63的電勢比銅片高 D．該電池內電流方向是從鎳63到銅片 解析：選C　Ni的衰變方程為Ni→e＋Cu，選項A、B錯；電流方向為正電荷定向移動方向，在電池內部電流從銅片到鎳63，鎳63電勢高，選項C對，D錯。 5．14C測年法是利用14C衰變規(guī)律對古生物進行年代測定的方法。若以橫坐標t表示時間，縱坐標m表示任意時刻14C的質量，m0為t＝0時14C的質量。下面選項圖中能正確反映14C衰變規(guī)律的是(　　) 解析：選C　由公式m＝m0及數(shù)學知識，可知能正確反映14C的衰變規(guī)律的應為C。 6．將半衰期為5天的質量為64 g的鉍分成四份分別投入：(1)開口容器中；(2)100 atm的密封容器中；(3)100 ℃的沸水中；(4)與別的元素形成化合物。經(jīng)10天后，四種情況下剩下的鉍的質量分別為m1、m2、m3、m4。則(　　) A．m1＝m2＝m3＝m4＝4 g B．m1＝m2＝m3＝4 g，m4<4 g C．m1>m2>m3>m4，m1＝4 g D．m1＝4 g，其余無法知道 解析：選A　放射性元素的半衰期是一定的，與放射性元素所處的物理環(huán)境和化學環(huán)境無關，故四種情況下鉍剩余的質量相等，又剩余的鉍的質量為16g＝4 g，所以A正確。 二、多項選擇題 7．(海南高考)原子核Th具有天然放射性，它經(jīng)過若干次α衰變和β衰變后會變成新的原子核。下列原子核中，有三種是Th衰變過程中可以產(chǎn)生的，它們是(　　) A.Pb　B.Pb　C.Po　D.Ra　E.Ra 解析：選ACD　發(fā)生α衰變時放出He，發(fā)生β衰變時放出電子e，根據(jù)質量數(shù)和電荷數(shù)守恒有，每發(fā)生一次α衰變質量數(shù)減少4，電荷數(shù)減少2，每發(fā)生一次β衰變質量數(shù)不變化，電荷數(shù)增加1，由質量數(shù)的變化可確定α衰變的次數(shù)(必須是整數(shù))，進而可知β衰變的次數(shù)。逐一判斷可知A、C、D符合要求。 8．對天然放射現(xiàn)象，下列說法中正確的是(　　) A．α粒子帶正電，所以α射線一定是從原子核中射出的 B．β粒子帶負電，所以β射線有可能是核外電子 C．γ射線是光子流，所以γ射線有可能是原子發(fā)光產(chǎn)生的 D．α射線、β射線、γ射線都是從原子核內部釋放出來的 解析：選AD　α衰變的實質是原子核中的兩個質子和兩個中子結合在一起形成一個氦核發(fā)射出來的，β衰變的實質是原子核內的一個中子變成一個質子和一個電子，然后釋放出電子，γ射線伴隨α衰變和β衰變的產(chǎn)生而產(chǎn)生。所以這三種射線都是從原子核內部釋放出來的。A、D正確。 9.92U衰變成82Pb的過程中(　　) A．經(jīng)歷了8次α衰變和6次β衰變 B．鉛核比鈾核中子數(shù)少22個 C．鉛核比鈾核質子數(shù)少32個 D．衰變中有6個中子變成質子 解析：選ABD　衰變過程中，每次α衰變放出一個α粒子，核電荷數(shù)少2，質量數(shù)少4，而每次β衰變一個中子變成一個質子并釋放出一個電子，核電荷數(shù)增1，質量數(shù)不變。從鈾核與鉛核的質量數(shù)變化，可知經(jīng)歷了8次α衰變，8次α衰變后新核的核電荷數(shù)應為76，比鉛核的核電荷數(shù)少6，要經(jīng)過6次β衰變才能成為鉛核，A、D選項正確；原子核由質子、中子組成，鈾核中中子數(shù)為 238－92＝146，鉛核中中子數(shù)為206－82＝124，相差22，B選項正確；鈾核質子數(shù)為92，鉛核質子數(shù)為82，相差10，C選項錯誤。 三、非選擇題 10.在勻強磁場中，一個原來靜止的原子核，由于放出一個α粒子，結果得到一張兩個相切圓的徑跡照片(如圖所示)，今測得兩個相切圓半徑之比r1∶r2＝44∶1。求： (1)這個原子核原來所含的質子數(shù)是多少？ (2)圖中哪一個圓是α粒子的徑跡？(說明理由) 解析：(1)設衰變后α粒子的電荷量為q1＝2e，新生核的電荷量為q2，它們的質量分別為m1和m2，衰變后的速度分別為v1和v2，則原來原子核的電荷量q＝q1＋q2，根據(jù)軌道半徑公式有： ＝＝， 又由于衰變過程中遵循動量守恒定律，則m1v1＝m2v2以上三式聯(lián)立解得q＝90e。 即這個原子核原來所含的質子數(shù)為90。 (2)由于動量大小相等，因此軌道半徑與粒子的電荷量成反比。所以圓軌道1是α粒子的徑跡，圓軌道2是新生核的徑跡，兩者電性相同，運動方向相反。 答案：(1)90　(2)圓軌道1　理由見解析 11．放射性同位素14C被考古學家稱為“碳鐘”，它可以用來判定古生物體的年代，此項研究獲得1960年諾貝爾化學獎。 (1)宇宙射線中高能量的中子碰到空氣中的氮原子后，會形成很不穩(wěn)定的C，它很容易發(fā)生衰變，放出β射線變成一個新核，其半衰期為5 730年。試寫出6C衰變的核反應方程。 (2)若測得一古生物遺骸中的C含量只有活體中的12.5%，則此遺骸距今約有多少年？ 解析：(1)C衰變的核反應方程： C→N＋e。 (2)活體中的C含量不變，生物死亡后，遺骸中的C按其半衰期變化，設活體中C的含量為N0，遺骸中的C含量為N，由半衰期的定義得： N＝N0，即0.125＝c。 所以＝3，T＝5 730年， t＝17 190年。 答案：(1)C→N＋e (2)17 190年